基于ARM和FPGA的LCD灰階色度自動校正系統

林新泉，林志賢，姚劍敏，郭太良，楊　蘭

(1.福州大學　物理與信息工程學院，福建 福州 350001；2. 集美大學理學院，福建 廈門 361021)

基于ARM和FPGA的LCD灰階色度自動校正系統

林新泉1，林志賢1，姚劍敏1，郭太良1，楊蘭2

(1.福州大學物理與信息工程學院，福建 福州 350001；2. 集美大學理學院，福建 廈門 361021)

摘要:由于液晶顯示器件特殊的電光效應，其輸入與輸出為非線性關系，又因液晶像素對不同波長的光透過率不同，紅綠藍三通道穿透率特性表現不一致，形成不同灰階色溫的偏移。為使顯示器件達到最佳的顯示效果，必須對其做顯示校正。針對小尺寸TFT-LCD提出了基于ARM和FPGA的LCD灰階色度自動校正系統，系統使用高性價STM32為核心主控，結合高速FPGA和SSD2828實現8lane MIPI信號的輸出，支持高達2K×4K分辨率的LCD。校正算法依據格拉斯曼混色定理，通過較色矩陣實現XYZ與RGB的轉換，結合3次樣條插值實現RGB穿透率的獲取，再根據目標亮度色度計算獲取目標穿透率。實驗結果表明該系統可實現LCD灰階色度更為快速、準確的校正，其中校正時間在10 s以內，灰階亮度精度為1%，色度精度為±0.001 5，且校正系統成本低、體積小、具有廣泛的應用性。

關鍵詞:Gamma；色溫；灰階色度；三刺激值；自動校正；MIPI

1液晶顯示基本原理

液晶顯示器件的基本原理是通過給液晶施加一定的電壓，改變液晶分子排列方向來實現不同的光線透過率。由于液晶顯示器件特殊的電光效應，其電壓輸入與光線輸出成非線性關系，表現為近似“S”型，又因液晶像素對不同波長光的透過率不同，紅綠藍三通道的穿透率曲線不一致，導致不同灰階下色度的偏差(如圖1所示)。其次，人眼對于光強度的視覺感知是非均勻的，其中視覺明度近似為光強度的冪指數函數，人眼對低亮度的敏感度要明顯高于高亮度下的敏感度(視覺明度和物體相對亮度Y/Yn關系曲線如圖2所示，其中Yn為物體參考白點亮度，定義其對應的視覺相對明度為100%)。因此液晶顯示器必須經過灰階色度的校正，才能得到最佳的顯示效果[1-2]。

圖1　電壓-穿透率及色坐標曲線

圖2　視覺明度和亮度曲線

對于小尺寸TFT-LCD的灰階色度的校正主要是通過設定LCD驅動IC Gamma寄存器的方式，通過修改RGB通道Gamma電壓寄存器值實現對灰階亮度、色度的修正。目前的校正多采用手動結合校正工具的方式進行，對每一批生產的LCD燒錄同一組Gamma設定。由于生產工藝的差異，同一組Gamma設定并不能滿足每一片LCD屏的顯示特性，造成顯示效果的差異。而現存的校正系統都是基于PC機和顯示控制板，具有成本高、體積大等缺陷，且其自動校正需要掃描大量的原始屏參并對RGB曲線做分別校正，耗時長且校正的色度精度低[3-7]，很難應用于實際生產中。

針對以上不足，本文提出了基于ARM和FPGA的灰階色度自動校正系統，其中ARM作為系統的核心主控，用于顯示控制和算法運算，FPGA產生高分辨率測試畫面，結合SSD2828實現高速MIPI信號的輸出。校正算法依據XYZ與RGB的轉換，結合三次樣條插值實現RGB穿透率曲線的獲取，并根據目標亮度色度結合較色矩陣獲取目標RGB穿透率，實測表明應用本文提出的校正系統和校正算法可以實現LCD灰階色度更為快速、準確的校正，且校正系統成本低、體積小、具有廣泛的應用性。

2灰階色度校正算法

2.1較色矩陣

依據格拉斯曼混色定理，可利用色彩混合的方式產生某種所需色彩，混色光三刺激值與三原色三刺激值有如下關系

(1)

式中：XR，XG，XB表示三原色R，G，B(即紅、綠、藍畫面)下的刺激值X，Y和Z。則根據不同的R，G，B三原色比值r，g，b的混合，即可得到不同的色度亮度[8]，即

(2)

式中：XRmax，YRmax，ZRmax為LCD設備顯示純紅色畫面(R255,G0,B0)時的三刺激值。同理，其他為(R0,G255,B0)、(R0,G0,B255)時的三刺激值。模型是建立在RGB色品坐標恒定的基礎上，但實際LCD設置RGB色品坐標并不是恒定的，在低階時的色度偏移尤為嚴重，其最主要的原因是LCD設備無法達到理想暗態，會有一定的漏光[9]，為此，加入“黑點”考慮，修正后的矩陣如

(3)

2.2目標穿透率的獲取

測得LCD設備顯示255階純白畫面時的三刺激值X=Xwhite，Y=Ywhite，Z=Zwhite代入式(3)可獲得設備r,g,b可達到的最大值rmax,gmax,bmax，將目標三刺激值XYZ代入式(3)則可獲得目標r,g,b，歸一化后即為設備RGB通道目標穿透率TR=r/rmax,TG=g/gmax，TB=b/bmax。

白點(255階)的校正需要滿足目標的色度，又需要能夠取得最大的亮度。為此分別代入r，g，b為最大值rmax，gmax，bmax時解得滿足預設色度x和y下的亮度Y，當r取得r=rmax時可得

(4)

預設x,y為已知，如此可獲得r=rmax時的g,b和Y，同理獲得g=gmax時的r,b和Y，以及b=bmax時的r,g和Y，取設備能達到的一組(即r≤rmax,g≤gmax,b≤bmax)即為滿足色度要求的最大亮度的組合，其中Ymax=Y，將r,g,b分別除以rmax,gmax,bmax歸一化后即為目標白點(255灰階)的RGB三通道目標穿透率。

同理可獲得r,g,b分別為0時滿足色度下的3組r,g,b和Y，取得設備能達到的一組(即r≥0,g≥0,b≥0)并歸一化，即可獲得滿足色度要求的最小亮度Ymin=Y。

獲取了目標白點亮度Ymax和最小亮度Ymin，加上測量的暗態亮度、色度即可根據Gamma公式取得中間灰階的目標三刺激值，具體如

(5)

(6)

式中：Xn，Yn，Zn為第n灰階下的目標三刺激值；xtarger，yterget為目標色品坐標；xBlack，yBlack為LCD暗態的色品坐標；式(6)為對低灰階做線性色度變化校正；nYmin為滿足色度要求的最小亮度的對應灰階。

2.3原始穿透率獲取

根據式(3)可獲得RGB三原色不同比率下X,Y,Z的三刺激值，則可通過其逆矩陣求得已知灰階三刺激值X、Y、Z下的RGB三原色比值，即

(7)

通過式(7)可得所測量灰階下的r,g,b，即可通過式(8)歸一化獲取測量灰階所對應RGB通道的穿透率

(8)

式中：TRn為第n灰階下的R通道穿透率；rn，r255為第n灰階和第255灰階通過式(7)得到的R通道的比值r，TGn和TBn等同理。

通過色度儀設備掃描獲取灰階下三刺激值，結合式(7)和式(8)即可獲得LCD RGB通道原始的穿透率。

校正中耗時最長的即為原始屏參的掃描，為加快速度采用間隔掃描的方式，在保證精度的前提下盡可能減少掃描點[10]，本文采用帶自然邊界條件的三次樣條插值法來實現。

設節點a=x0

1)s(xk)=yk,k=0,1,…,n

(9)

(10)

(11)

令s″(xk)=Mk(k=0,1,2,…,n)利用s″k(x)為線性函數可得s″k(x)的表達式

(12)

對s″(x)兩次積分結合式(9)～(11)條件即可得

(13)

整理可得

μkMk-1+2Mk+λkMk+1=dk,k=1,2,…,n-1；

(14)

使用自然邊界條件[11]

s″(x0)=M0=0,s″(xn)=Mn=0，可得

(15)

解得線性方程組(15)結合式(13)即可獲得任一[xk,xk+1]區間的sk(x)。以掃描灰階的電壓v作為x，由式(7)～(8)獲取的穿透率Tn為y，則可分別獲取RGB通道對應的電壓-穿透率T(v)函數，以(vmax-vmin)/1 024為步進(即LCD Gamma寄存器最小步進)，即可獲得LCD Gamma寄存器所有電壓設置對應的RGB通道的穿透率。

3校正系統

校正系統主要需要實現LCD測試畫面生成、原始屏參數據采集、校正算法運算以及校正效果檢驗等[12]，系統的總體框圖如圖3所示。

圖3　校正系統框圖

系統采用以ARM-Cortex M3為內核的高性價STM32F207為主控，通過USART與MSE色度儀進行通信測量獲取LCD屏參數據，通過SPI與兩塊SSD2828進行連接，實現對SSD2828和LCD的初始化。系統使用可編程邏輯器件EPCE10F17生成高分辨率的測試畫面，通過輸出兩組高速24 bit的RGB信號結合SSD2828實現8Lane MIPI信號的輸出[13]，傳輸速率可達8 Gbit/s，可支持2K×4K高分辨率LCD。

自動校正的流程如下：

1)系統初始化，包括MSE色度儀初始化、ARM對FPGA RGB Timing設定、通過SSD2828對LCD初始化，載入用于屏參掃描的原始Gamma設定。

2) ARM通過SPI發送畫面命令給FPGA，FPGA生成相應高分辨率測試畫面，ARM通過MSE色度儀采集測試畫面下LCD屏參。

3) 校正算法運算，包括原始RGB穿透率的計算、根據目標亮度色度計算目標RGB穿透率、依據目標RGB穿透率計算獲取RGB Gamma寄存器目標值。

4)將校正后的RGB Gamma寄存器設定值重新載入LCD。

5)校正效果檢測，對灰階進行掃描，檢測校正過后LCD灰階的色度亮度。

4測量實驗與結果

測試使用高分辨率5.46 in(1 in=2.54 cm)LTPS-LCD為實驗屏，根據LCD V-T曲線高、低階電壓曲率變化大，中間階電壓曲率變化小的特點，選取的型值點對應為高低灰階密集，中灰階相對稀疏，實測選取的型值點為0，15，23，31，47，63，95，127，160，192，208，224，232，240，248，255等灰階，測量型值點和RGB畫面的三刺激值，校正目標為Gamma 2.2，目標色度為(0.280，0.300)。整個校正耗時在10 s以內，校正前后的灰階特性曲線如圖4所示。

圖4　校正前后灰階穿透率特性曲線

圖4a為使用通用Gamma設定值后的灰階特性效果，其中ΔLv%為LCD實測值與標準Gamma2.2的亮度誤差比，可知使用一組通用Gamma設定時實驗屏的Gamma誤差較大，整體曲線往上偏，實際Gamma值明顯偏小，校正后的效果如圖4b所示，穿透率曲線緊貼Gamma2.2，60灰階以后的亮度誤差比維持在1%以內。

校正前后的灰階色品特性曲線如圖5所示。

圖5　校正前后灰階色品特性曲線

校正前LCD色品坐標特性如圖5a所示，其表現為“拱形”，在高灰階時下降嚴重，校正前白點(255階)的原始色品坐標為(0.289，0.315 6)，遠偏離目標值(0.280，0.300)，中間灰階偏差更大，圖5b為校正后的色品特性曲線，色品坐標和的曲線經校正過后緊貼目標值(0.280，0.300)，60灰階以后與目標色度值的偏差在±0.001 5以內，低灰階下的誤差有所增大，主要是因為色度儀設備在低亮度下的精度有限所致。

使用圖片進行顯示測試，圖6為64灰階圖片和小車圖片校正前后的對比照片。

圖6　校正前后圖片顯示對比照片

從圖6a可看出，校正前中低灰階數過少，過快過渡到高亮度灰階，且灰階整體稍偏黃，校正后的灰階過渡明顯更為均勻，中低灰階階數得到補充，且灰階色度偏黃也得到了校正。圖6b可明顯看出實際顯示效果的改善，校正前灰階整體偏亮，導致整體畫面發白，校正過后圖片整體過度更為均勻，色度也更為逼真，顯示效果得到明顯改善。

5小結

為使LCD達到最佳的顯示效果，必須對每片LCD做單獨的顯示校正，本文針對小尺寸TFT-LCD現存自動校正技術的不足，提出了依據格拉斯曼混色定理和三次樣條插值法的校正算法和基于ARM和FPGA的自動校正系統。通過實測驗證表明，本文提出的校正系統和校正算法可實現LCD灰階色度更為快速、準確的校正，其中校正時間在10 s以內，灰階亮度誤差比在1%以內，色度誤差在±0.001 5，經校正后的LCD圖像顯示效果得到明顯提升，同時以ARM和FPGA組合實現的校正系統可支持高達2K× 4K分辨率LCD，且成本低、體積小，具有較強的實際應用性。

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LCD gray-scale chromaticity automatic correction system based on ARM and FPGA

LIN Xinquan1, LIN Zhixian1, YAO Jianmin1, GUO Tailiang1，YANG Lan2

(1.CollegeofPhysicsandInformationEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350001,China;2.CollegeofScience,JimeiUniversity,FujianXiamen361021,China)

Abstract:Because of liquid crystal display device’s special electro-optical characteristic, its inputs and outputs present a nonlinear relationship. Besides, since the LCD pixel has different transmittances according to the different lights with various wavelengths, the red, green and blue channels have diverse performances. Those cause the deviations of color temperature between different gray scales. In order to achieve the best performance, it is needed for LCD devices to be corrected. In this paper, a TFT-LCD gray-scale chromaticity automatic correction system based on ARM and FPGA is proposed. The system uses cost-effective ARM as the core controller, combines with high-speed FPGA and SSD2828 to realize 8 lane MIPI outputs, supports up to 2K×4K resolution. Correction algorithm based on Grsassmann color law, utilizes the transform matrix to realize the transformation between XYZ and RGB, combines with the cubic spline interpolation to get the RGB transmittances and then calculates target penetration rates according to the target brightness and chromaticity. Experimental results show that the system can realize a more rapid and accurate correction, the correction time is within 10 s, the precision of gray-scale brightness is 1%, chromaticity accuracy is ±0.001 5, besides, the correction system is low-cost, small-volume and extensively applicable.

Key words:Gamma; color temperature；gray-scale chromaticity；tristimulus values； automatic correction；MIPI

中圖分類號:TN29

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.06.011

基金項目：國家“863”重大專項(2013AA030601)；福建省科技重大專項(2014HZ0003-1)；福建省資助省屬高校專項課題(JK2014002)；福建省科技廳重點項目(2013H0033)

作者簡介：

林新泉(1990— )，碩士生，主要從事信息顯示技術等方面的研究；

林志賢(1975— )，教授，博士，碩士生導師，主要從事信息顯示技術、平板顯示器件驅動技術和圖像處理技術等研究；

姚劍敏(1978— )，副研究員，博士，主要從事模式識別、三維顯示技術等研究；

郭太良(1963— )，研究員，博士生導師，主要從事FED顯示器等研究；

楊蘭(1971— )，女，副教授，主要從事光電技術等研究。

責任編輯：許盈

是感染：2015-11-17

文獻引用格式：林新泉，林志賢，姚劍敏，等. 基于ARM和FPGA的LCD灰階色度自動校正系統[J].電視技術，2016，40(6)：52-56.

LIN X Q， LIN Z X， YAO J M， et al. LCD gray-scale chromaticity automatic correction system based on ARM and FPGA[J].Video engineering，2016，40(6)：52-56.